Computergrafik

Computergrafik befaßt sich mit den Grundlagen der zwei- und dreidimensionsalen Computergrafik und deren Anwendung in PC-basierten Systemen. Neben der Darstellung mathematischer Grundlagen, einfacher Techniken und fortgeschrittener Bilderzeugungsalgorithmen steht die Umsetzung und Anwendung im Vordergrund. Radiosity-, Ray-Tracing- und andere Darstellungsverfahren können mit der beiliegenden Software in einer breit verfügbaren Systemumgebung ausprobiert werden. Leserinnen und Leser haben somit die Möglichkeit, die Methoden durch spielerischen Umgang mit der Software zu erlernen, sie für eigene Projekte zu nutzen oder sogar zu erweitern. Alle Programme sind im Pascal-Quelltext verfügbar.

Inhalt
1.Einleitung.- 1.1 Überblick über den Inhalt.- 1.2 Wie können Sie dieses Buch benutzen.- 1.3 Literatur.- 1.4 Sie sind gefragt.- I 2D-Algorithmen.- 2.Koordinatensysteme.- 2.1 Koordinatentransformation.- 2.2 Weltkoordinaten und Bildkoordinaten.- 2.3 Skalierung und Fenster.- 2.4 Transformationen.- 2.5 Polarkoordinaten.- 2.6 Homogene Koordinaten.- 2.7 Zusammensetzen von Transformationen.- 3.Algorithmen.- 3.1 Abschneiden (Clipping) und Überdecken.- 3.2 Polygon-Clipping.- 3.3 Flächenfüllen und Schraffieren.- 3.3.1 Flächenfüllen am Bildschirm.- 3.3.2 Schraffieren.- 4.Anwendungen der 2D-Grafik.- 4.1 Darstellen von Funktionen und Wertetabellen.- 4.2 Lineare Approximation.- 4.3 Logarithmische Approximation.- 4.4 Exponentielle Approximation.- 4.5 Gleitender Durchschnitt.- 4.6 Polynom-Interpolation.- 4.7 Spline-Interpolation.- 4.8 Bézier-Kurven.- 4.9 Stereobilder.- II Grundlagen 3D-Algorithmen und Rendering.- 5.Mathematische Grundlagen.- 5.1 Punkte und Vektoren.- 5.2 Matrizen.- 5.3 Vektor- und Matrizenalgebra.- 5.4 Transformationen.- 5.4.1 Transformation von Punkten und Vektoren.- 5.4.2 Transformation von Normalenvektoren.- 5.4.3 Transformation von Koordinatensystemen.- 5.4.4 Projektionen.- 6.Beschreibung der Programme.- 6.1 Möglichkeiten der Grafikprogrammierung.- 6.2 Prinzipielles zur Implementierung.- 6.3 Die Bedienung des Hauptprogramms PRIM.- 6.4 Beispiele zu den mathematischen Grundlagen.- 7.Grundlagen der dreidimensionalen Computergrafik.- 7.1 Koordinatensysteme.- 7.2 Modellierung.- 7.3 Entfernung der Rückflächen.- 7.4 Clipping.- 7.5 Verdeckungsrechnung.- 7.5.1 Der Maler-Algorithmus.- 7.5.2 Der Tiefensortier-Algorithmus.- 7.5.3 Der z-Buffer-Algorithmus.- 7.5.4 Scanline-Algorithmen.- 7.6 Beleuchtungs- und Schattierungsverfahren.- 7.7 Scankonvertierung.- 7.8 Antialiasing.- 8.Beispiele zu den Grundlagen der 3D-Grafik.- 8.1 Modellierung und Transformation zwischen Koordinatensystemen.- 8.2 Weitere Koordinatensysteme.- 8.3 Clipping.- 9.Implementierung der grundlegenden Algorithmen.- 9.1 Die von PRIM verwendeten Units.- 9.2 Die Unit PRIMVIEW, Matrizenrechnung zum Anfassen.- 9.3 Die Unit PRIMREND, die Rendering-Pipeline aus Programmsicht.- 10.Modelle für die Beleuchtungsrechnung.- 10.1 Farben.- 10.2 Lichtquellen.- 10.3 Abschwächung der Intensität durch Entfernung.- 10.4 Abschwächung mit Nebeleffekt.- 10.5 Abschwächung der Intensität in Medien.- 10.6 Oberflächen.- 11.Beispiele zur Beleuchtungsberechnung.- 11.1 Farbmodelle.- 11.2 Lichtquellenmodelle.- 11.3 Oberflächenmodelle.- 12.Implementierung der Beleuchtungsmodelle.- 12.1 Datenstrukturen.- 12.2 Algorithmen.- 13. Darstellungsmethoden (Rendering).- 13.1 Verdeckungsrechnung mit dem z-Buffer-Verfahren.- 13.2 Scankonvertierung von Dreiecken und Polygonen.- 13.3 Linear interpolierende Schattierungsverfahren.- 13.4 Texturen.- 13.4.1 Farbtextur-Mapping.- 13.4.2 Bumpmapping.- 13.4.3 Volumentexturen.- 13.5 Transparenz.- 14. Beispiele zu den Darstellungsmethoden.- 14.1 Schattierungsverfahren.- 14.2 Texturierung.- 15. Implementierung der Darstellungsmethoden.- 15.1 Gemeinsamkeiten der Darstellungskonzepte.- 15.2 Interpolationen.- 15.3 Rasterisierung und Schattierung von Dreiecken.- 15.3.1 Rasterisierung von Dreiecken.- 15.3.2 Bestimmung der linken Span-Anfangspunkte.- 15.3.3 Bilineare Interpolation in einem Dreieck.- 15.4 Die Implementierung von Schattierung und Rasterisierung.- 15.4.1 Die Prozedur SetzeSchattierungsParameter.- 15.4.2 Die Prozedur StelleFlaecheDar.- 15.4.3 Die Prozedur ZeichneDreieck.- 15.4.4 Die Prozedur ZeichneHintergrund.- III Radiosity.- 16. Radiosity.- 16.1 Berechnung der Formfaktoren.- 16.2 Lösung des Gleichungssystems.- 16.3 Mehrpassverfahren.- 17.Beispiele zur Radiosity-Berechnung.- 18.Implementierung des Radiosity-Verfahrens.- 18.1 Lösung des Gleichungssystems.- 18.1.1 Iteratives Lösungsverfahren.- 18.2 Berechnung der Formfaktoren.- 18.3 Struktur des implementierten Verfahrens.- 18.3.1 Vor- und Nachteile des iterativen Verfahrens.- 18.4 Die Unit PRIMRAD, Radiosity zum Anfassen.- 18.4.1 Die Prozedur ErzeugePatchesUndElemente.- 18.4.2 Nachbarschaften.- 18.4.3 Die Prozedur BerechneFlaechenGroessenUndAmb.- 18.4.4 Die Prozedur BerechnedFFs.- 18.4.5 Die Prozedur SuchePatchMitGroesstemdBA.- 18.4.6 Die Prozedur BestimmeMatrizenFuerSingleplane.- 18.4.7 Die Prozedur ElementeAuf Singleplane.- 18.4.8 Die Prozedur BerechneFormfaktoren.- 18.4.9 Die Prozedur WandeleFormf aktorenlnEnergieUm.- 18.4.10 Die Prozeduren MittlereBeteiligteFlaechen und BerechnePunktFarbenAusEnergien.- IV Raytracing.- 19.Raytracing.- 19.1 Die Strahlverfolgung.- 19.1.1 Einführung.- 19.1.2 Lichtstrahlen.- 19.1.3 Schatten und Spiegelungen.- 19.1.4 Brechungen.- 19.1.5 Der Raytrace-Algorithmus.- 19.2 Grundkörper.- 19.2.1 Kugeln.- 19.2.1.1 Schnitt: Kugel und Strahl.- 19.2.1.2 Texturen und Kugeln.- 19.2.2 Quadriken.- 19.2.2.1 Ellipsoid.- 19.2.2.2 Hyperboloid.- 19.2.2.3 Kegel.- 19.2.2.4 Elliptischer Zylinder.- 19.2.2.5 Implementierung für den symmetrischen Kegelstumpf.- 19.2.3 Ebenen und flächige Objekte.- 19.2.3.1 Schnitt: Ebene und Strahl.- 19.2.3.2 Schnitt: Kreisfläche und Strahl.- 19.2.3.3 Schnitt: konvexes Viereck und Strahl.- 19.2.3.4 Schnitt: Dreieck und Strahl.- 19.2.3.5 Schnitt: Polygon und Strahl.- 19.2.4 Rotationskörper.- 19.3 Konstruktive Geometrie und Raytracing: CSG.- 19.3.1 Der CSG-Algorithmus.- 19.4 Verbesserte Raytracing-Techniken.- 19.4.1 Supersampling.- 19.4.2 Adaptives Supersampling.- 19.4.3 Stochastic Sampling und Distributed Raytracing.- 19.4.3.1 Halbschatten.- 19.4.3.2 Bewegungsunschärfe (Motion Blur).- 19.5 Beschleunigung von Raytracing-Verfahren.- 19.5.1 Bounding-Box-Algorithmen.- 19.5.2 Parallelisierung.- 19.6 Public-Domain-Software.- V Hardware.- 20.Grafik-Hardware.- 20.1 Aufbau und Wirkungsweise.- 20.1.1 Der Bildwiederholspeicher.- 20.1.2 Die Farbpalette.- 20.1.2.1 Setzen eines einzelnen Farbregisters.- 20.1.2.2 Setzen eines Blocks von Farbregistern.- 20.1.2.3 Programmbeispiel.- 20.1.3 Animation mit Farbpaletten.- 20.1.4 Nachbildung von True-Color.- 20.1.4.1 Halbtontechnik.- 20.1.4.2 Ordered Dither nach Bayer.- 20.1.4.3 Floyd-Steinberg.- 20.2 PC-Grafikkarten.- 20.2.1 Super-VGA auf dem PC.- 20.2.1.1 Bank Select bei ET4000.- 20.2.1.2 Bank Select bei VESA-Karten.- 20.2.2 HiColor-VGA-Karten.- 20.2.3 True-Color-Karten.- 20.3 3D-Darstellung in Stereo.- 20.3.1 Rot-Grün-Brille.- 20.3.2 LCD-Shutter-Brille.- 20.4 Grafik-Beschleunigerkarten.- 20.4.1 Beschleunigerkarten mit S3.- 20.4.1.1 Hardware-Cursor.- 20.4.1.2 Grafikbefehle.- 20.4.2 Aufbau der DSM860-Beschleunigerkarte.- 20.4.2.1 Aufbau des Intel i860 Prozessors.- 20.4.2.2 Die Einheiten des i860.- 20.4.2.3 Register und Befehle.- 20.4.2.4 Die Befehle für die Grafik-Recheneinheit.- 20.4.2.5 Zugriff auf den i860-Bildspeicher.- VI Anhang: Programmierung von Rendering und Radiosity.- A. Beschreibung der Eingabesprache GED.- A.1 Die Eingabesprache GED.- A.2 Objekte.- A.3 Teilobjekte.- A.3.1 Polygonale Teilobjekte.- A.3.2 Referenzen auf Objekte.- A.3.3 Vordefinierte Körper.- A.3.4 CSG-Ausdrücke.- A.3.5 Transformationen und Oberflächeneigenschaften.- A.3.6 Teilobjekte im Detail: Polygonobjekte.- A.3.7 Teilobjekte im Detail: Vordefinierte Körper.- A.3.7.1 Die Kugel als vordefinierter Körper.- A.3.7.2 Der Würfel als vordefinierter Körper.- A.3.7.3 Der Zylinder als vord…

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